研究背景

柔性和可拉伸触觉传感器因其在协作机器人、可穿戴设备和生物传感器中的应用而备受研究关注。为了模仿人体皮肤的功能，人们非常需要灵敏度高、检测范围大的触觉传感器，以检测极小的压力水平(类似于小虫在人手臂上的作用力)，以及测量较大的压力(类似于人握住重物)。先前的工作已经证明，具有金字塔、孔、圆顶等微结构的介电层以及其他微观图案结构可以显著提高电容式传感器的灵敏度。它们的制造过程大多涉及光刻蚀刻和沉积等微加工工艺。虽然这些传统方法已经成熟并广泛应用于微型设备，但它们也会导致成本高、工艺复杂、制造周期长等问题。

为了克服这些挑战，人们开发了熔融长丝制造、喷墨打印、气溶胶喷射打印、直接墨水写入(DIW)和电流体动力打印(E-jet)等打印技术，以低成本、高效率生产可穿戴和可拉伸电子产品。然而，这些大多灵敏度较低，或者是在坚硬的基底上制造的，或者仍然需要印刷以外的制造工艺。

研究成果

上海交通大学邵磊教授团队介绍了一种全印刷柔性电容式触觉传感器，由一台台式打印机制造而成。传感器的主要部件是夹在两层银电极之间的软硅胶电介质层。制造过程包括喷墨打印(用于在PET基底上沉积银层作为电极)和直接墨水写入(DIW)(用于打印硅胶弹性微结构作为介电层)。印刷的横截面微圆顶形硅胶线提高了低压范围的灵敏度，增加了高压范围的检测范围，类似于人类触觉的反应行为。因此，该传感器在 0.4kPa 以下具有 1 kPa-1 的高灵敏度，在 2 MPa 以下具有较大的检测范围，但灵敏度较低，仅为0.0006 kPa-1。最后，对印刷传感器施加的负载循环显示出良好的稳定性和较小的滞后性。相关研究以“All-Printed Flexible Tactile Sensors with High Sensitivity and Large Detection Range”为题发表在会议期刊Proceedings of the 16th Annual IEEE International Conference on Nano/Micro Engineered and Molecular Systems上。

图文导读

Figure 1. Fabrication process for all-printed flexible tactile sensor.

(a) a printed tactile sensor, (b) dielectric layer dispensed on a bottom electrode by DIW printing (c) a bent sensor.

Figure 3. Height profile of the DIW printed dielectric layer measured by a stylus profiler.

(a) Experimental setup for measuring capacitance/force. (b) Relative change of capacitance under normal pressure

(a) Capacitance change for 20 cycles of repeated (b) Relative capacitance changes for one period

(a) Capacitance change of the sensor under (b) zero pressure, (b) a small pressure and (d) a large pressure.

文献链接

All-Printed Flexible Tactile Sensors with High Sensitivity and Large Detection Range

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